環(huán)保型聚氨酯防水涂料的研究進展

石林梅

(江西南新環(huán)?？萍加邢薰?，江西 九江 330300)

1 前言

聚氨酯防水涂料是20世紀60年代發(fā)展起來的一種防水高分子材料[1]，因其附著力強、力學(xué)性能好、耐化學(xué)腐蝕、拉伸強度高、彈性好、防水性能佳、價格競爭力強等特性在防水材料市場獲得普遍認可和應(yīng)用。傳統(tǒng)聚氨酯防水涂料主要類型有焦油基聚氨酯涂料和瀝青基聚氨酯涂料[2]。普通的瀝青型聚氨酯涂料中含有苯酚和吡啶、吡咯、咪唑等化合物，這些化合物具有不同程度的毒性及致癌傾向，會對人體造成損害。而焦油基聚氨酯涂料中的焦油易揮發(fā)且揮發(fā)出的氣體氣味強，在聚氨酯材料中大量使用煤焦油會引發(fā)一系列潛在的環(huán)境污染風(fēng)險。

隨著人類社會的進步和人們環(huán)保理念的增強，人們?nèi)找嬷匾暦浪苛系木G色、環(huán)保和健康問題，對聚氨酯防水涂料性能的要求也越來越高，傳統(tǒng)類型的聚氨酯防水涂料也受到諸多限制，并逐漸被淘汰。因此，發(fā)展高性能、綠色環(huán)保型的聚氨酯防水涂料越來越受到重視[3]。

2 環(huán)保型水性聚氨酯防水涂料

水性聚氨酯防水涂料是一種高性能環(huán)保高分子彈性防水材料，具有安全、環(huán)保、無毒、無味等特點，并且具有良好的附著性。水性聚氨酯防水涂料可分為單組分聚氨酯涂料和雙組分聚氨酯涂料[4]。

單組分水性聚氨酯防水涂料是以水性聚氨酯樹脂為主要成膜物質(zhì)，搭配顏填料、成膜助劑、涂料助劑等組分，以水為分散介質(zhì)，經(jīng)過一定工藝制備的環(huán)保型涂料產(chǎn)品[5]。單組分水性聚氨酯防水涂料可以直接用水稀釋、使用方便、常溫干燥，具有拉伸強度高、斷裂伸長率大、對基層變形適應(yīng)能力強、易于修復(fù)、防水性好等特點。雙組分水性聚氨酯防水涂料是一種反應(yīng)固化型涂料，交聯(lián)固化后，漆膜堅韌而富有彈性，具有附著牢固、硬度大、耐候性好、耐化學(xué)性優(yōu)異等特點[6]。這類聚氨酯防水涂料通常是以含羥基的水性樹脂和水性異氰酸酯固化劑共同組成，漆膜性能主要由樹脂決定，和固化劑反應(yīng)后性能有所提高，該涂料成膜溫度低、有機揮發(fā)物較少、基面干燥潮濕均可施工，是一種高性能的環(huán)保型防水涂料。

2.1 單組分水性聚氨酯防水涂料

為了獲得性能優(yōu)良、功能化的單組分水性聚氨酯防水涂料，合成防水性能優(yōu)異、綜合性能優(yōu)良的水性聚氨酯是研究的重點。通過引入疏水基團、增加支鏈結(jié)構(gòu)、化學(xué)或物理方法混合其他組分，可有效改善水性聚氨酯的性能。

普通的聚氨酯涂料往往力學(xué)性能不夠好，特別是在經(jīng)過熱老化處理后，其力學(xué)性能會有明顯下降。交聯(lián)改性可以將線性聚氨酯分子以化學(xué)鍵的形式結(jié)合在一起，從而提高聚氨酯涂層的性能。周義[7]利用三官能度的三羥甲基丙烷(TMP)擴鏈劑對聚氨酯防水涂料進行改性，使聚氨酯預(yù)聚體形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改性之后聚氨酯涂料的力學(xué)性能和熱老化性能均有提高，并且當(dāng)TMP的添加量為0.05 %，改性聚氨酯的力學(xué)性能和熱老化性能最優(yōu)。而Lai等[8]在聚氨酯中引入酮酰肼交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使漆膜的交聯(lián)密度得到了提高，降低了吸水率，并且提高了硬度、拉伸強度以及熱穩(wěn)定性。

有機硅化合物具有良好的耐水性、耐候性、抗氧化性、透氣性、低極性和低表面性能。另外，由于有機硅和聚氨酯的相容性低，硅氧烷會遷移到膜的表面，在水性聚氨酯膜表面富集，可賦予改性聚合物低表面能，提高漆膜耐水、耐化學(xué)品、耐高低溫、耐候等性能。顏永斌[9]利用納米SiO2經(jīng)TDI表面改性處理后分散在聚氨酯基體中，制備了納米SiO2改性聚氨酯防水涂料。利用納米SiO2對紫外光的反射能力和屏蔽功能，提高了聚氨酯防水涂膜的力學(xué)性能、耐紫外光老化和熱氧老化性能，紫外光老化1000 h后，防水涂膜的拉伸強度、斷裂伸長率和撕裂強度分別提高了20.3 %、17.8 %和11.5 %。

環(huán)氧樹脂具有粘結(jié)力強、彈性模量高、拉伸強度高、硬度高、光澤高、耐熱、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點，通過引入環(huán)氧樹脂可提高聚氨酯涂層的耐水性、耐溶劑性、耐熱蠕變性、耐腐蝕性、拉伸強度和剝離強度。吳校彬等[10]以環(huán)氧樹脂E-44為改性劑制備了聚氨酯防水涂料，環(huán)氧樹脂中的羥基可以和聚氨酯中的-NCO反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使膜的性能得到提高。隨著環(huán)氧樹脂添加量的提高，涂膜的硬度和拉伸強度隨之提高，但伸長率會降低。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)E-44添加量為6 %～7 %時，涂膜的綜合性能最優(yōu)，超過了GB/T19250-2003的要求。董偉等[11]采用機械共混的方法制備環(huán)氧改性水性聚氨酯，當(dāng)環(huán)氧樹脂含量為8 %時，聚氨酯涂膜的拉伸強度達到29.57 MPa，斷裂伸長率為354.1 %，涂膜的性能得到了明顯的提高。

2.2 雙組分水性聚氨酯防水涂料

雙組分聚氨酯防水涂料是一類環(huán)保且綜合性能突出的產(chǎn)品，具有防水性能好、施工簡便和易操作等優(yōu)點，多用于交通運輸防水層、堤壩渠道防水防滲層和建筑防水裝飾涂膜。雙組分聚氨酯防水涂料由多種原料復(fù)配而成，其核心部分是A組分中的異氰酸酯、醇和B組分中的固化劑。

在雙組分水性聚氨酯防水涂料中，醇多用水性羥基丙烯酸樹脂。水性丙烯酸樹脂耐光性、耐候性、顏色淺、耐熱好、耐化學(xué)試劑等性能良好，綜合性能優(yōu)良，應(yīng)用廣泛，是涂料成膜樹脂中最重要的品種。羥基丙烯酸樹脂是典型的熱固型樹脂，涂膜附著力、耐磨性、硬度、耐化學(xué)品性、耐候性等性能突出[12]。周國強等[13]用叔碳酸縮水甘油酯(E-10P)改性丙烯酸樹脂，不僅減少了溶劑的使用，還提高了分散體的固含量。

馮筱倩[14]采用兩步預(yù)聚法，以二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)和聚醚多元醇為原料合成A組分預(yù)聚物，并與含少量聚醚多元醇和固化劑的B組分配合制備了一種環(huán)保型高強度雙組分聚氨酯防水涂料。發(fā)現(xiàn)采用MDI單體制備的防涂料具備更高的力學(xué)強度，當(dāng)R值為4.0時，涂膜具備較好的力學(xué)性能，其拉伸強度可達到5.15 MPa，斷裂伸長率達到432%，表干時間和實干時間也均能達到聚氨酯防水涂料應(yīng)用標(biāo)準要求。

3 環(huán)保型無溶劑聚氨酯防水涂料

無溶劑型聚氨酯防水涂料不以溶劑為分散劑，不含胺類、煤焦油等有毒物質(zhì)，也不含揮發(fā)性有機物，安全環(huán)保，不會對人體產(chǎn)生傷害，也不會對環(huán)境造成污染，形成的防水涂層不會污染水體。其固化速度快，施工方便，可按照需求涂裝任意涂層厚度，在施工過程中不易產(chǎn)生流淌、麻面等施工缺陷。無溶劑型防水涂料的物體附著能力比溶劑型防水涂料強，具有高耐磨性，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性能[15，16]。因此，無溶劑型聚氨酯防水涂料得到了非常廣泛的應(yīng)用，并且在未來具有廣闊的應(yīng)用前景。

郝寧[17]用低黏度環(huán)保植物酯代替易揮發(fā)的石油溶劑，重點考察環(huán)保植物酯用量與產(chǎn)品黏度、干燥時間、有機揮發(fā)物含量及涂膜拉伸性能的變化關(guān)系，為制備無溶劑型單組分聚氨酯防水涂料提供了一定的設(shè)計思路。

陳立義[18]采用環(huán)氧大豆油調(diào)整產(chǎn)品體系黏度，以潛固化劑固化方式制備了無溶劑單組分聚氨酯防水涂料。討論了環(huán)氧大豆油和醛亞胺類潛固化劑的用量對產(chǎn)品的黏度、有機揮發(fā)物含量以及涂膜力學(xué)性能的影響。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)所制備的無溶劑環(huán)保型單組分潛固化聚氨酯防水涂料能滿足聚氨酯防水涂料國家標(biāo)準(GB/T 19250-2013)的要求。

劉暢[19]以PCDL-2000、MDI、潛固化劑以及環(huán)保增塑劑為主要原料，制備了一種不含揮發(fā)性有毒溶劑的環(huán)保型高強度單組分聚氨酯防水涂料，研究了聚醚種類及比例、—NCO含量、潛固化劑及增塑劑添加量等因素對涂料性能的影響。根據(jù)最佳比例制備的單組分聚氨酯防水涂料，其拉伸強度可以達到7.5 MPa，斷裂伸長率為600 %，撕裂強度為34 N/mm。

Jomin Thomas[20]采用一種1，3-丙二醇低聚物調(diào)節(jié)體系粘度，1，3-丙二醇不僅充當(dāng)溶劑，還參與聚氨酯固化過程。通過優(yōu)化引發(fā)劑和反應(yīng)條件，達到與溶劑型丙烯酸多元醇樹脂相同的性能，VOC從400 g/L降低到160 g/L。

Xiaomin Luo[21]受天然珍珠層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，制備了由正十八烷胺改性氧化石墨烯(NGO)并通過Diels-Alder反應(yīng)合成的無溶劑自修復(fù)聚氨酯(SFPU-DA)組成的新型多層無機有機薄膜。通過逐層組裝技術(shù)，制備出超疏水自修復(fù)無溶劑聚氨酯復(fù)合薄膜(NGO/SFPU-DA薄膜)。NGO/SFPU-DA復(fù)合薄膜在120 ℃下在120秒內(nèi)表現(xiàn)出表面折痕和裂縫的愈合。同時，薄膜的接觸角和滑動角分別高達151°和8°。值得注意的是，即使經(jīng)過21次摩擦，所得薄膜的超疏水性也沒有顯著降低。NGO/SFPU-DA薄膜的拉伸強度和剝離強度可以達到22.6 MPa和88.6 N/30 mm。此外，涂有NGO/SFPU-DA薄膜的鋼比單獨的NGO/SFPU-DA薄膜和未涂層鋼表現(xiàn)出更低的腐蝕電流密度和更好的耐腐蝕性。

4 總結(jié)

防水涂料應(yīng)用非常廣泛，尤其在建筑行業(yè)用量非常大。而傳統(tǒng)的防水涂料會產(chǎn)生大量的有機揮發(fā)物，對大氣環(huán)境以及人民的健康造成了嚴重的影響，因此國家對涂料環(huán)保性能也日益重視起來。從環(huán)保的角度來說，環(huán)保型聚氨酯防水涂料是一大發(fā)展趨勢，它以水作為分散劑或者不需要溶劑，解決了因采用焦油、瀝青等溶劑型防水涂料所造成的環(huán)境污染以及對人體的傷害。為了進一步提高環(huán)保型聚氨酯防水涂料的綜合性能并拓寬其應(yīng)用范圍，可通過對聚氨酯改性、采用先進的聚合工藝、優(yōu)化聚氨酯的結(jié)構(gòu)以及加大聚氨酯產(chǎn)品的開發(fā)等，今后環(huán)保型聚氨酯防水涂料將向著高性能和多功能方向發(fā)展。